JP5890536B2 - 角度分散を補償する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学系の少なくとも１対の音響光学偏向器によって偏向した電磁ビームの角度分散を補償するように適応した補償装置及び方法に関し、各偏向ビームの角度分散は、音響光学偏向器の偏向音響周波数によって得られる偏向角に依存する。

ランダムアクセスによる３次元（３Ｄ）レーザ走査技術は、例えば生物構造を撮像したり、細胞表面の受容体の蛍光マーカーをマッピングしたりする生体試料への測定（走査、撮像、検知、励起など）を実施する際、あるいはアンケージング／光刺激、ＦＲＥＴ（蛍光共鳴エネルギー移動）、ＦＬＩＭ（蛍光寿命イメージング）などの測定を実施する際に非常に重要である。

一般に使用されている３Ｄレーザ走査型顕微鏡は、共焦点顕微鏡か多光子（２光子）顕微鏡のいずれかである。共焦点顕微鏡の技術では、顕微鏡対物レンズの焦平面以外の任意の平面から反射した光を排除するために、検出器の前にピンホールが配置されている。したがって、試料（例えば生体試料）中の異なる深さにある平面で結像することが可能である。

２光子レーザ走査型顕微鏡では、低エネルギーのレーザ光を使用し、量子イベントで蛍光を励起して蛍光光子を放出させ、その後この蛍光光子を検出器で検出するために、２つの光子が必要である。２つの光子をほぼ同時に吸収する確率は極めて低く、それには高束の励起光子が必要であるため、２光子の励起は事実上、レーザ光線の焦点のみで起こり、この場合のビーム強度は２光子の閾値を超えている。光子数は、モード同期でも増加し、光子を高強度で到達させる励起レーザは、試料で跳ね返る。一般的には、フェムト秒パルスレーザを使用して２光子の励起に必要な光子束を提供するとともに、平均的なレーザ光線強度を十分低く維持して試料が熱で劣化するのを回避する。

上記技術のうちのいずれかを適用する場合は通常、例えばステッピングモータで試料台を動かして３Ｄ走査を実行するが、これは、水中に沈んだ試料室を使用する場合や、微小電極を備えた生体試料に電気による記録を実施する場合は実施するのが困難である。試料台の動きは緩慢な工程であり、分オーダーのイメージング速度になるか、あるいは測定点の数が極めて少なく（キロピクセル）になって低解像度になる可能性がある。したがって、生体試料を分析する場合、試料を動かす代わりにレーザ光線の焦点を動かすことが好ましいことが多い。これは、レーザ光線を偏向させて焦平面（ＸＹ平面）の様々な点を走査し、例えば圧電アクチュエータを介して対物レンズを光軸（Ｚ軸）に沿って移動させて、焦平面の深さを変化させることによって達成できる。ＸＹ走査は通常、ガルバノスキャナに装着されている偏向ミラーのような機械光学式偏向手段を介して、所与の焦平面（ＸＹ平面）内でレーザ光線を偏向することによって達成される。

機械走査用構成部品（すなわち走査ミラー及び顕微鏡対物レンズ）の慣性には、達成可能な走査速度に対してある程度の限界がある。なぜなら、走査用構成部品は、３Ｄ走査を実施するために物理的に移動させる必要があるからである。

従来の機械光学による解決策に取って代わるものとして、高速の音響光学偏向器（ＡＯＤ）が提案されてきた。

非特許文献１は、逆に伝搬する音響波が位相にロックされている２つのＡＯＤで作製されて、ビームが側面方向に動くことなく純粋に焦平面をｚ軸に沿ってシフトすることを達成する音響光学レンズを提供した。音響光学レンズの焦点を変化させることは、音響光学装置を用いて音響周波数の掃引速度を変化させることで達成される。

特許文献１では、上記の原理は、３Ｄ走査を実現するために利用されている。ビームの焦点は、４つの音響光学偏向器を使用することで菱形のような体積の空間内を移動することができ、２つの音響光学偏向器は両方の側面方向（ｘ及びｙ）に対するものである。側面の走査は、同じ側面方向に回折する２つのＡＯＤの音響周波数に差がある結果であり、深さ方向の集束（すなわちｚ軸に沿った焦点のシフト）は、同じＡＯＤ内の音響周波数の掃引速度を変化させることで達成される。そのため、焦点をｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面でほぼ独立して調整でき、この場合のｚは装置の光軸と一致する長手方向である。ｘとｙとの偏向ユニットにおいて音響周波数の掃引速度が完全に一致しない場合、これは強力な非点収差にもなる。

しかしながら、空間的かつ時間的に分散するなど、先行技術によるＡＯＤの３Ｄ走査技術にかかわる様々な問題があり、とりわけ多光子走査技術と組み合わせて使用される際にみられる。

先行技術によるＡＯＤ系は、ＡＯＤ間で様々な分散補償部材を適用して、または特許文献２で考察されているようにＡＯＤの対を特別に配置して、多かれ少なかれある程度まで空間的な分散をなくしている。それにもかかわらず、先行技術による光学的配置は、ＡＯＤの角度分散を十分な程度にまで低減することはできなかった。これは主に、その光学的配置の空間が均一ではないからである。

角度分散を伴う光ビームをコリメートする公知の方法が、図１に示したようにプリズム１０を光路に配置することである。入射ビーム１２ｂは、様々な波長成分を含み、そのうちの最長の波長成分λ_ｌｏｎｇ、中間の波長成分λ_{ｃｅｎｔｅｒ}、及び最短の波長成分λ_{ｓｈｏｒｔ}を示している。図示した光学的配置では、入射ビーム１２ｂは、元のビーム１２ａが第１のプリズム１０ａにブリュースター角α_{Ｂｒｅｗｓｔｅｒ}で入射し、第１のプリズム１０ａを通過することで生じる。第１のプリズム１０ａは、元のビーム１２ａの様々な波長成分を分離し、これによって角度分散が生じる。第２のプリズム１０ｂは、第１のプリズム１０ａと同じプリズム開口角α_ｐを有する。角度分散のある第２のビーム１２ｂが第２のプリズム１０ｂを通過した後、様々な波長成分λ_ｌｏｎｇ、λ_{ｃｅｎｔｅｒ}及びλ_{ｓｈｏｒｔ}はコリメートされる。すなわち第３の屈折ビーム１２ｃの波長成分λ_ｌｏｎｇ、λ_{ｃｅｎｔｅｒ}及びλ_{ｓｈｏｒｔ}は、互いに平行だが波長に依存する位置で伝搬する。したがって、非特許文献２で、多光子イメージング向けに使用される音響光学偏向器の分散補償の分析で示唆したように、１対のＡＯＤによって生じた角度分散を補償するのにプリズムを使用することができる。しかしながら実際には、角度分散は適用された音響周波数に依存するため、単一のプリズムでは全周波数で角度分散を補償するのに十分ではない。

米国特許第７，２２７，１２７号 国際特許第２０１０／０７６５７９号

Ｋａｐｌａｎら、「Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｙ ｆａｓｔ ｆｏｃｕｓ ｓｃａｎｎｉｎｇ」，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１４／Ｊｕｌｙ１５，（２００１） Ｓｈａｏｑｕｎ Ｚｅｎｇら、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．１２，０２４０１５（Ｍａｒ０９，２００７）；ｄｏｉ：１０．１１１７／１．２７１４０６１

先行技術によるレーザ走査型顕微鏡と、偏向した光ビームに角度分散を起こす音響光学偏向器を備えている一般的な任意の光学系とに係る問題を克服することが、本発明の目的である。

特に、偏向した光ビームの偏向角が波長に依存するのを軽減する角度分散の補償装置を提供することが、本発明の目的である。

本発明者らは、２つの面を有する補償器であって、入射角と開口角とが変化して適合するプリズムのように共に機能する補償器を提供することで、電磁ビームの角度分散が光学系の光軸からの距離に依存する光学系において、角度分散を補償するプリズムの特性を利用できることを確認した。本発明者らは、音響光学偏向器（ＡＯＤ）を使用して走査レーザ光線を偏向させるレーザ走査型顕微鏡において、第１のレンズ群を使用して、このような補償器の一方の面に相当する焦平面に偏向ビームを集束させることができ、角度分散の異なるビームは、空間的に分離し、適切な形状にした補償器によって各ビームに対して独立して角度分散を補償することも確認した。

上記の目的は、請求項１に記載の補償装置及び請求項５に記載の方法によって達成される。

また、本発明の実施形態の利点は、付属の従属請求項に定義している。

光ビームの様々な波長成分を分離してコリメートするための２つのプリズムの光学的配置を示す概略説明図 ＡＯＤと対物レンズとの間に配置された本発明による補償装置の概略説明図 図２の部分Ａの拡大図 図２の補償装置の補償部材の概略説明図 異なる音響周波数でＡＯＤによって生じた偏向角の波長依存を示すグラフ 単一の偏向器を使用して所与のｘ−ｚまたはｙ−ｚ平面にビームを偏向させた際の、角度分散（ｄθ_１／ｄλ）の偏向角（θ_１）に対する依存度を計算したグラフ ２つの連続する偏向器を使用して所与のｘ−ｚまたはｙ−ｚ平面にビームを偏向させた際の、角度分散（ｄθ_ｄｅｆ／ｄλ）の偏向角（θ_ｄｅｆ）に対する依存度を示すグラフ

本発明の詳細は、添付の図面及び例示的な実施形態から明らかになる。

図２は、本発明による補償装置２０を示し、本補償装置は、１対の連続するＡＯＤ１３、１４のうちの第２のＡＯＤ１４と、レーザ走査型顕微鏡（図示せず）などの光学系の対物レンズ１６との間に配置されている。光学系は、特許文献２で考察されているような２つの連続するＡＯＤ１３、１４の間に様々な光学素子を備えていてよいほか、通常、第２の１対のＡＯＤを備えている。その結果、第１のＡＯＤの対は電磁ビーム１８を第１の側面方向ｘに偏向させる役割を果たし、第２のＡＯＤの対はビーム１８を第１の側面方向ｘに垂直な第２の側面方向ｙに偏向させる役割を果たす。簡易化のため、１対の連続するＡＯＤ１３及び１４のみを描き、以下これについて考察するが、ビームの偏向は、第２のＡＯＤの対に対応する横断方向でも同じように計算できる。

補償装置２０は、第１のレンズ群２２及び第２のレンズ群２４を備え、両レンズ群は、互いに間隔を開けてＡＯＤ１４の下流に、対物レンズ１６の光軸に相当する共通光軸Ｚに沿って配置される。図２では、第１のレンズ群２２及び第２のレンズ群２４を簡易化のために単一のレンズとして示しているが、レンズ群２２及び２４は両方とも、２つ以上のレンズを備えて色消しダブレットまたは色収差を補正したトリプレットを形成してもよい。

第１のレンズ群２２と第２のレンズ群２４との間には補償部材２６が配置されており、補償部材２６の第１の面２６ａは実質的に第１のレンズ群２２の焦平面ＦＰにあり、補償部材２６の第２の面２６ｂは第２のレンズ群２４に対向する。

例として、２つの偏向ビーム１８及び１８’を図２に描いている。第１のビーム１８は、偏向音響周波数ｆ_１、ｆ_２を適用した結果、ＡＯＤの対１３、１４によって光軸Ｚに対して角度θ_ｄｅｆで偏向する。図示した第２のビーム１８’の偏向角θ_ｄｅｆ’は、２つの連続するＡＯＤ１３及び１４に音響周波数ｆ_１’及びｆ_２’をそれぞれ印加することで得られる。

第１のレンズ群２２は、第１のビーム１８を、実質的に第１のレンズ群２２の焦平面ＦＰ内の、光軸Ｚ（及び第１のレンズ群２２の焦点Ｆ）から第１の距離ｒのところにある第１の点Ｐに集束する。第２のビーム１８’は、実質的に光軸Ｚから第２の距離ｒ’のところにある第１のレンズ群２２の焦平面ＦＰにある第２の点Ｐ’に集束する。光軸Ｚからの距離ｒ、ｒ’は、第２のＡＯＤ１４から出射するビーム１８、１８’の偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’に依存する。したがって、ビーム１８、１８’は、このビームの別々の偏向角θ_ｄｅｆ及びθ_ｄｅｆ’に従って空間的に離れている。以下で明らかにするように、偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’が異なる結果、角度分散が異なり、よってビーム１８、１８’も異なる角度分散で空間的に広がり、これによって集束したビーム１８、１８’の角度分散は、光軸Ｚからの距離ｒ、ｒ’に応じて変化する。そのため、第１のレンズ群２２は、角度分散の異なるビーム１８、１８’を効果的に空間的に分離する役割を果たす。

前述したように、補償部材２６の第１の面２６ａは、実質的に第１のレンズ群２２の焦平面ＦＰ内にあるため、ビーム１８、１８’は事実上、補償部材２６の第１の面２６ａ上に集束される。実際の焦点Ｐ、Ｐ’と第１の面２６ａとの間のずれは、偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’が大きくなるにつれて大きくなることは明らかだが、このずれがあったとしても、その後の視野は、本発明による補償装置２０を用いると著しく改善される可能性があり、これについては以下の考察から明らかになる。

角度分散の異なる（かつ偏向角がθ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’である）ビーム１８、１８’は事実上、補償部材２６の第１の面２６ａの異なる点Ｐ、Ｐ’上に集束されるため、所与の局所的な表面領域に集束したビーム１８、１８’の角度分散を補償するためにプリズムとして局所的に作用するように補償部材２６を設計することが可能である。焦点Ｐを図３に示したように拡大すると、入射ビーム１８の様々な波長成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃ（すなわちスペクトル成分であり、そのうちの３つのみを描いている）が異なる点Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃに集束していることがわかり、これらの点は補償部材２６の第１の面２６ａ上にあるように描かれているが、上記の考察から、わずかなずれが存在することは明らかである。したがって、共通光軸ｚに対する回転角度がβである局所的プリズムとして共に機能する公称半径Ｒ_１及びＲ_２（図４を参照）を有するとともに、空間的に離れている偏向したビーム１８、１８’の角度分散を補償するために光軸Ｚからの距離に応じて変化するプリズム開口角α_ｐ（図１を参照）を有するように、補償部材２６の第１の面２６ａ及び第２の面２６ｂを設計することが可能である。

第２のレンズ群２４は、補償部材２６から出射する各偏向ビーム１８、１８’の様々な波長成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃを実質的に平行にするように配置される。第１のレンズ群２２、補償部材２６及び第２のレンズ群２４で構成される補償装置は、角倍率Ｍを有するように設計されるため、異なる音響周波数ｆ_１、ｆ_２及びｆ_１’、ｆ_２’でそれぞれ偏向したビーム１８、１８’の偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’をＭ＊θ_ｄｅｆ、Ｍ＊θ_ｄｅｆ’に変え、これによって角度変化を維持する。第２のレンズ群２４は、対物レンズ１６の入射瞳（図示せず）で像を形成する。系の倍率は、対物レンズの背面開口像と同じサイズの音響光学偏向器の開口像を形成するように工作される。

以下の説明部では、補償装置２０を設計するため、特に補償部材２６の２つの面２６ａ、２６ｂを計算するための計算方法を提供する。

第１の音響光学偏向器１３の偏向角θ_１は、等方性相互作用のＢｒａｇｇ式及び異方性相互作用のＤｉｘｏｎ式によって調節される。

Ｂｒａｇｇの関係［式（１）］は、偏向角のｓｉｎｅが光学波長に線形的に依存していることを表している。

式中、λは音響光学結晶中の光学波長であり、θ_１は入射して回折した光学波によって閉じた角度であり、ｆ_１は音響周波数であり、ｖ_ａは材料中の音響速度である。角度分散は、光学波長λに対する偏向角θ_１の導関数である。

異方性の場合、Ｄｉｘｏｎ式は、偏向角θ_１が入射光ビーム（図示せず）及び結晶軸に対する音響波の伝搬方向に依存していることを示し、入射光ビームの波動ベクトルと［１００］の結晶軸との間の角度をγ_１で表し、音響波ベクトル及び［１−１０］の軸によって閉じられた角度をα_０で表している。

式（３）は、音響的に回転した構成（α_０≠０）である場合で、かつ相互作用平面が、［００１］及び［１１０］（または［１−１０］）の結晶軸で決定された平面と一致する際に有効である。

この場合の角度分散も、波長λに対する（３）の関数の導関数である。第１のＡＯＤ１３の外部で異なる音響周波数ｆ_１で偏向角θ_１が波長に依存する様子を図５に示している。波長λへの依存は線形に近く、角度分散を表す傾斜ｄθ／ｄλは、音響周波数ｆ_１の増加、及び図６に示した偏向角θ_１の増大に伴って明らかに大きくなる。

前述したように、最先端の音響光学系では、（光学系の光軸Ｚに対して垂直な）所与の方向への偏向は、２つの連続するＡＯＤ１３、１４を用いて実現されて、焦点を制御できるレンズ効果も生じる。この配置では、両方のＡＯＤ１３、１４によって偏向したビーム１８、１８’の角度分散を補償することもできる。材質及び相互作用の構成がほぼ同じである２つのＡＯＤ１３、１４を使用する場合、角度分散は、所与の偏向方向で完全になくなる。この方向は、偏向ビーム１８、１８’を標的まで導く後続のレンズ（事実上は対物レンズ１６）に対する光軸Ｚと一致するように都合よく選択する。角度分散は、この軸ｚと平行ではない偏向方向で部分的になくなるだけである。このほか、残りの分散は、偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’が軸ｚからそれると増大する。

この設定で使用できる構成は基本的に２つある。この対の第２のＡＯＤ１４は、入射及び出射の偏光が第１のＡＯＤ１３と同じになるように設定される。この場合、光の偏光は、２つのＡＯＤ１３、１４の間の半波長板で９０°回転して、第２のＡＯＤ１４へ正しく入射する偏光にならなければならない。このほか、集束中に点を同じ場所に維持する基準を満たすため、第２のＡＯＤ１４内の音響波の方向は、第１のＡＯＤ内のものとは逆でなければならない。

第２のＡＯＤ１４内では、入射ビーム１８、１８’はすでに分散しているため、入射角は波長に依存するとともに、第１のＡＯＤ１３の音響周波数ｆ_１にも依存する−γ_１２（λ、ｆ_１）。第２のＡＯＤ１４に第１のＡＯＤ１３と同じ構成を用いる場合は、新たな入射角で式（４）を使用できる。

新たな入射角は、基準とみなす所与の音響周波数ｆ_１で第１のＡＯＤ１３の結晶で偏向したビームに対する第２のＡＯＤ１４の向きを表す固定角度δを追加することで、式（５）から計算できる。基準となる周波数は、通常は音響帯域の中心周波数である。

第２の構成では、第２のＡＯＤ１４は、第１のＡＯＤ１３のように入射と出射が９０°回転した偏光で動作する。したがって、第１のＡＯＤ１３の出射偏光は回転してはいけない（半波長板は省略してよい）。このほか、音響波の方向は、第２のＡＯＤ１４でも第１のＡＯＤ１３と同じはずで、回転しないはずである。第２のＡＯＤ１４以降の偏向角θ_２は、式（６）を解くことで計算できる。

角度θ_２は、４次方程式の累乗根のうちの１つとして、分析に基づいて表すこともできるが、複雑である。そのため、以下の式（６）のように式を数字で解くことを提案する。

あるいは、異なる入射偏光及び音響光学セルの回転を利用する２つの設定の動作は類似しており、ほぼ同じ物理的な像を用いて説明できる。

光学系が顕微鏡であれば、偏向角θ_２は、光学的な一連のつながりによって標的上にある焦点の位置に変わる。この一連のつながりの最後の要素は顕微鏡対物レンズ１６である。都合よいように、位置座標は原点からｘ、ｙ及びｚの距離にあると定義する。この原点は、対物レンズ１６の光軸Ｚが主な焦平面と交差する点である。この光軸Ｚと一致する偏向ビームの方向を選択する必要がある。

第２のＡＯＤ１４も同じく、通常は動作している音響帯域の中央である中央の音響周波数を有する。どちらの設定変形例においても、２つの連続するＡＯＤ１３、１４では、特定の音響周波数ｆ_１及びｆ_２を選択することができ、このようにして２回偏向したビーム１８、１８’が第２のＡＯＤ１４以降の角度分散を含まないようになる。なぜなら、第２のＡＯＤ１４は、第１のＡＯＤ１３によって生じた分散を正確になくしてしまうからである。これは、周波数ｆ_１とｆ_２とが概ね等しいときに起こる。

角度分散のないビームは、第２のＡＯＤ１４に続く光学系の光軸Ｚと一致するように都合よく設定される。

第１及び第２のＡＯＤ１３、１４それぞれにおいて、他方の音響周波数ｆ_１及びｆ_２で回折したビーム１８、１８’の角度分散は、ゼロではなく、周波数の差に依存する。

正式には、光軸ｚは、式（７）の右側がゼロになる場合に見つけることができる。δ＝０であり、ＡＯＤ１３、１４が同じであれば、これはｆ_１＝ｆ_２のときに起こる。周波数差ｆ_１−ｆ_２が増大し、両方の角度がθ_２であれば、角度分散は式（６）の予測に従って増大する。

第２のＡＯＤ１４の外側で目に見える偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’は、その波長依存の屈折率を用いて計算でき、屈折率は、２つの事例では偏光状態が異なるためにやや異なる。

式中、λ_ｃ、ｆ_ｃ１、ｆ_ｃ２はそれぞれ、中央の光学波長及び音響周波数であり、これらがＡＯＤ１３、１４以降の光軸Ｚを決定する。

プリズム１０に基づく角度分散の補償方法を一般化することによって、上記の空間的に変化する角度分散を補償する最適化した補償装置２０を設計することができる。この補償装置２０は、球面レンズと非球面レンズとからなり、以下の基準を満たしている。
・ＡＯＤの対の第２のＡＯＤ１４の像を所与の平面で形成する。異なる音響周波数で偏向したビーム１８、１８’は、この平面で互いに重なるが、この平面では各々が異なる伝搬角度Ｍ＊θ_ｄｅｆ、Ｍ＊θ_ｄｅｆ’を有する。この平面は、顕微鏡系における顕微鏡対物レンズ１６の入射瞳と一致するのが理想である。
・各偏向ビーム１８の様々な波長成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、補償装置２０の最後のレンズ群２４以降にできる限り平行になるが、異なる音響周波数ｆ_１、ｆ_２及びｆ_１’、ｆ_２’で偏向したビーム１８、１８’の角度変化は維持される。

上記で考察したとおり、補償装置２０は、３つの主要部分を備えている。すなわち、偏向ビーム１８、１８’を第１のレンズ群２２の焦平面ＦＰで集束させる第１のレンズ群２２、偏向ビーム１８、１８’の角度分散を補償する補償部材２６、及びスペクトル成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃを平行にして対物レンズ１６の入射瞳で像を形成する第３のレンズ群２４である。

補償部材２６は、第１の面２６ａの半径がＲ_１で、第２の面２６ｂの半径がＲ_２であるガラス片として製造できる。

先に説明したように、第１のレンズ群２２は、偏向ビーム１８、１８’を焦平面ＦＰで集束させ、この焦平面で偏向ビーム１８、１８’は空間的に分離し、各偏向ビーム１８内の波長成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃも分離するが、倍率が少なくとも約１オーダー下がり、通常は倍率が１〜２オーダー下がる。焦点距離がｆｏｃ_１である第１のレンズ群２２は偏向角θ_ｄｅｆ、θ_ｄｅｆ’を、焦平面ＦＰ内の光軸Ｚから測定した空間距離ｒ、ｒ’に変える。

角度分散がスペクトル成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃの空間的な広がりになるのを、以下のように記載できる。

スペクトル成分１８ａ、１８ｂ、１８ｃの角度を伴う分離は、光軸Ｚからの距離ｒが長くなるにつれて大きくなる。周波数成分と関連性があってよい主な角度は、ｒ（λ）／ｆοｃ_１である。

角度分散を効果的に補償するためには、プリズム１０が最も見込みのある解決策である。プリズム１０が補償できる角度分散の量は、入射角α_１及びプリズム開口角α_ｐを適切に選択することで、所与の分散値に適合させることができる。プリズム以降の出射角度は、次式で求められる。

波長に依存する入射角α_１は、プリズム１０の傾斜角β（すなわち光軸Ｚと入射角との間の角度）と、波長に依存する伝搬角度θ_ｄｅｆ：

と、リズム１０の全偏向角：

とから算出できる。

プリズム以降の角度分散をゼロにする要件を、以下のように表すことができる。

光軸Ｚからの距離ｒが長くなるにつれて大きくなる角度分散を補償するためには、傾斜角βとプリズム開口角α_ｐとが両方変化する必要がある。つまり、２つの関数β（ｒ）及びα_ｐ（ｒ）を計算できる。

これらの関係から、傾斜角（または入射角）と開口角とを変化させて適合させつつプリズムのように共に機能する、第１の面２６ａの公称半径Ｒ_１及び第２の面２６ｂの公称半径Ｒ_２を計算できる。

第１の手順では、これらの面２６ａ、２６ｂを、上記に定義した光軸周りに完全対称である球面であると仮定し、第１の面２６ａの半径Ｒ_１を以下のように表すことができ、

第２の面２６ｂの半径Ｒ_２を以下のように表すことができる。

ただし、最適な面２６ａ、２６ｂは球面ではなく、式（１５）及び（１６）で求められる主要半径である非球面及び円錐面として表してもよい。

（図４に示した）円錐パラメータ及び非球パラメータは、適切な最適化によって算出される。半径Ｒ_１、Ｒ_２の値及び光軸Ｚでの最小ガラス厚ｄも、Ｚｅｍａｘの最適化アルゴリズムを用いる最適化で算出される。２つの価値ある関数を連続的に使用するが、１つには対物レンズ１６より前の角度分散及び開口が含まれ、２つ目は、試料平面（対物レンズ１６の焦平面）内の最小点のサイズを標的にしている。この２つを反復すると、材料が所与のもので、補償装置２０のその他の光学パラメータ、すなわちレンズ間の距離及び焦点距離が所与のものである場合に、面２６ａ、２６ｂが最適になる。補償部材２６は、分散性の高い任意のガラス、例えばＳＦ１０、ＳＦ１１などで作製してよい。各々の材料に対して、分離の最適化が必要である。

この設定の第２のレンズ群２４は通常、単一のレンズを備え、このレンズによって偏向ビーム１８、１８’が対物レンズ１６の背面開口で結像し、各々の偏向角Ｍ＊θ_ｄｅｆ、Ｍ＊θ_ｄｅｆ’で対物レンズの開口が埋まる。このレンズの焦点距離及び位置も最適化される。例えば焦点距離が２１０ｍｍであるＯｌｙｍｐｕｓ社の走査レンズをこの場所に使用することができ、その場合、補償装置２０は、Ｏｌｙｍｐｕｓ社の対物レンズＬｕｍＰｌａｎ２０ｘと組み合わせて使用する。上記の式から明らかなように、補償部材２６のカスタム仕様の面２６ａ、２６ｂのパラメータは、角度補償装置２０の第２のレンズ群２４用に事前に選択した多様な市販のレンズ向けに最適化できる。最適化及び分析は、角度のある所与の解像度範囲内で最高の視野にするために、各々の組み合わせに対して実施しなければならない。

本発明による補償装置２０の代わりに単純な伸縮式のレンズ系を用いる従来の設定と比較したとき、本発明による補償装置２０を用いると７００μｍの側方視野を得られるのに対し、従来の伸縮式レンズ系を用いると、集束点のサイズ及びこの領域のエッジでの分散が同じ状態で４２０μｍの側方視野しか得られないことがわかった。

第２の対のＡＯＤを用いてビーム１８、１８’を、第１の対のＡＯＤ１３、１４が起こす偏向方向（ｘ）に垂直な横方向（ｙ）に偏向させる場合は、ｘに垂直な方向つまりｙ方向にある補償部材２６の面２６ａ、２６ｂを計算するのに同じ式を使用できることは明らかである。

図２及び３に描いた配置と同様の配置を使用して、単一の偏向器１３または１４がもたらす角度分散を補償することができる。偏向器１３、１４（図６及び図７）を１つ備えている配置と２つ備えている配置との偏向角の依存度を比較した場合、いずれの場合でも依存度は線形になるが、以下の特定の差が生じることが明らかになる。
１．偏向器が１つの場合では、曲線が原点を通らないため、ゼロではない角度分散があらゆる偏向角でみられる。
２．偏向器が２つの場合、曲線の傾斜は偏向器が２つの場合の２倍である。

第１の差は、分散補償器２０の配置が、図２の配置ほど軸Ｚ周りで筒状に対称ではないが、それに応じて補償部材２６を傾斜させてシフトさせ、ｘ−ｚ平面とｙ−ｚ平面との両方にみられるゼロではない角度分散を補償しなければならないことを示唆している。２つの配置間にみられる第２の差は、偏向器が１つの場合では補償部材２６の形状、特に曲率半径が、偏向器が２つの場合とは異なることを示唆している。傾斜角β及び曲率半径は、偏向器と偏向平面が２つある構成で詳細に示した上記の方法を用いて正確に計算できる。補償部材２６の面２６ａ、２６ｂは、２つのレンズ群２２及び２４の共通軸で形成される軸に対して垂直ではなくなり、２つのレンズ群も対物レンズ１６との共通軸を有するように配置する必要がある。

以上に記載した実施形態は、説明用の例を意図しているにすぎず、本発明を限定するものではない。請求項で明らかになる保護範囲を逸脱しないかぎり、当業者には様々な修正が可能である。

Claims (11)

1. 光学系の少なくとも１つの音響光学偏向器によって偏向した電磁ビームの角度分散を補償するように適応し、各偏向ビームの前記角度分散が前記音響光学偏向器の偏向音響周波数によって得られた偏向角に依存する補償装置であって、
   前記ビームを実質的に焦平面に集束させることで、偏向角及び角度分散の異なる前記偏向ビームを空間的に分離するための第１のレンズ群と、
   第１の面及び第２の面を有する補償部材であって、前記補償部材の前記第１の面が実質的に前記第１のレンズ群の前記焦平面にあるように配置され、前記補償部材の前記第１の面及び第２の面が公称半径Ｒ_１及びＲ_２を有し、該両半径が、傾斜角β及びプリズム開口角α_ｐが光軸からの距離に応じて変化するプリズムとして共に機能して、前記空間的に分離した偏向ビームの前記角度分散を補償する補償部材と、
   前記補償部材から出射する各偏向ビームの様々な波長成分を実質的に平行にするとともに、異なる音響周波数で偏向したビームの角度変化を維持するように配置された第２のレンズ群と、を備える
   ことを特徴とする補償装置。
2. 前記補償部材は、少なくとも１対の音響光学偏向器によって偏向したビームの角度分散を補償するように適応される
   請求項１に記載の補償装置。
3. 前記補償部材は、前記ビームを第１の横方向（ｘ）に偏向させる第１の対の音響光学偏向器と、前記ビームを第２の横方向（ｙ）に偏向させる第２の対の音響光学偏向器とによって偏向したビームの前記角度分散を補償するように適応される
   請求項２に記載の補償装置。
4. 前記第１のレンズ群（２２）は２枚のレンズからなり、前記第２のレンズ群（２４）は単一のレンズからなる
   請求項１ないし３のいずれかに記載の補償装置。
5. 光学系の少なくとも１つの音響光学偏向器によって偏向した電磁ビームの角度分散を補償する方法で、各偏向ビームの前記角度分散が偏向音響周波数によって得られた偏向角に依存する方法であって、
   第１のレンズ群を介して実質的に前記第１のレンズ群の焦平面に前記ビームを集束させることで、角度分散の異なる前記偏向ビームを空間的に分離することと、
   前記空間的に分離した偏向ビームの前記角度分散を、所与のビームの前記角度分散に応じて補償することと、
   各偏向ビームのスペクトル成分を実質的に平行にするとともに、異なる音響周波数で偏向した前記ビームの角度変化を維持すること、とを有し、
   前記空間的に分離した偏向ビームの前記角度分散を所与のビームの前記角度分散に応じて補償することは、第１の面及び第２の面を有する補償部材を設けることと、前記補償部材の前記第１の面が実質的に前記第１のレンズ群の前記焦平面にあるように配置されることと、前記補償部材の前記第１の面及び第２の面が公称半径Ｒ _１ 及びＲ _２ を有し、該両半径が、傾斜角β及びプリズム開口角α _ｐ が光軸からの距離に応じて変化するプリズムとして共に機能して、前記空間的に分離した偏向ビームの前記角度分散を補償すること、とを有する
   を特徴とする方法。
6. 前記ビームは、前記光学系の少なくとも１対の音響光学偏向器によって偏向する
   請求項５に記載の方法。
7. 前記ビームは、前記ビームを第１の横方向（ｘ）に偏向させる第１の対の音響光学偏向器と、前記ビームを第２の横方向（ｙ）に偏向させる第２の対の音響光学偏向器とによって偏向する
   請求項６に記載の方法。
8. 請求項１に記載の補償装置を備え、少なくとも１つの音響光学偏向器を備える
   ことを特徴とする光学系。
9. 前記光学系は、２つの連続する音響光学偏向器を備え、各音響光学偏向器の後ろに補償装置が配置される
   請求項８に記載の光学系。
10. 前記光学系は、少なくとも１対の音響光学偏向器を備え、前記補償装置の前記補償部材は、少なくとも前記１対の音響光学偏向器によって偏向したビームの角度分散を補償するように適応される
    請求項９に記載の光学系。
11. 前記光学系は、前記ビームを第１の横方向（ｘ）に偏向させる少なくとも第１の対の音響光学偏向器と、前記ビームを第２の横方向（ｙ）に偏向させる第２の対の音響光学偏向器とを備え、前記補償装置の前記補償部材は、前記第１及び第２の音響光学偏向器によって偏向したビームの前記角度分散を補償するように適応される
    請求項１０に記載の光学系。

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